Programmierung sicherheitsgerichteter Steuerungen: Die Matrixmethode des IFA

Sicherheitsfunktionen im Maschinenbau bestehen nicht nur aus Bauteilen wie Schutztür, Lichtschranke, Näherungssensor, Zustimmtaste oder Zweihandsteuerung. Neben dieser Hardware gewinnt die zugehörige Steuersoftware zunehmend an Bedeutung für das zuverlässige Funktionieren von Sicherheitseinrichtungen. Mit den aktuellen DIN EN ISO 13849 und DIN EN 62061 liegen erstmals Normen vor, die auch Anforderungen an die Softwareentwicklung von Sicherheitsfunktionen definieren. Das IFA-Institut stellt eine praktisch anwendbare Entwicklungsmethode vor.

Selbst bei zuverlässigster Hardware und modernsten Bauteilen kann eine Sicherheitsfunktion ausfallen oder unzureichend reagieren, wenn die dazu gehörende Anwendungssoftware Schwächen hat und nicht sorgfältig entwickelt wurde. Beim Betrieb einer Maschine besteht dann die Gefahr, dass Schutzeinrichtungen versagen mit all den unerwünschten Folgen wie Arbeitsunfälle, Maschinenstillstand, Produktionsausfall usw.

Normative Anforderungen bleiben allgemein, Interpretation und Umsetzung unklar

Anforderungen an die Softwareenwicklung der Sicherheitsanwendungen von Maschinen finden sich in den aktuellen Versionen der folgenden beiden Normen:

  • DIN EN ISO 13849 „Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“
  • DIN EN 62061 „Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme“

Ein Ziel der normativen Vorgaben ist, dass Anwendungssoftware von Sicherheitsfunktionen normgerecht spezifiziert, validiert und dokumentiert wird. Doch diese Anforderungen sind – wie in Normen üblich – eher allgemein formuliert, die Interpretation bleibt unklar und es fehlen Praxisbeispiele und Anleitungen zur konkreten Umsetzung in Anwendungssoftware. Aus diesem Grund beschäftigt sich das IFA-Institut, eine Einrichtung der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV), seit einigen Jahren mit der Anwendungsprogrammierung von sicherheitsgerichteten Steuerungen.

Die Matrixmethode: Anwendungssoftware von Sicherheitsfunktionen normgerecht spezifizieren und dokumentieren

In einem von der DGUV geförderten und an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg durchgeführten Projekt entwickelten die Forscher des IFA gemeinsam mit regionalen Maschinenbauunternehmen eine praktisch anwendbare Entwicklungsmethode. Diese wurde als sogenannte Matrixmethode in einem Forschungsbericht anhand vieler Beispiele ausführlich vorgestellt. Eine Kurzform dieses Berichts – immer noch 98 Seiten lang – wurde nun als IFA-Report 2-2016 veröffentlicht und steht für alle Interessierten kostenlos zum Download zur Verfügung.

IFA-Report 2-2016

Die Autoren sehen das Dokument als Lehrbuch und Nachschlagewerk für jeden, der sich mit Anwendungssoftware im Zusammenhang mit Sicherheit im Maschinenbau befasst. Der interessierte Leser findet jede Menge Hintergrundwissen und Anregungen, sich in die komplexe Materie der Risikominderung durch fehlervermeidende Maßnahmen einzuarbeiten, z. B.:

  • einen Rückblick auf den Projektverlauf, der u. a. verdeutlicht, warum bei der Spezifikation und Dokumentation von Sicherheitssoftware eine matrixbasierte Form die checklistenbasierten Formulare abgelöst hat.
  • einen Überblick zu Normen und Anforderungen an sicherheitsbezogene Anwendungssoftware (SRASW).
  • eine Beschreibung der Softwareentwicklung nach einem V-Modell, wie es bereits in der Sicherheits-Grundnormenreihe IEC 61508 dargestellt wird.
  • Erläuterungen zu Standardsteuerungen, Tests und Überwachungsmaßnahmen für SRASW sowie zur Validierung.

SOFTEMA: Software-Assistent für das Projektmanagement

Der Report schließt mit einer Vorstellung des Softwaretools SOFTEMA. Dieses Tool soll sowohl Maschinenhersteller bei der Entwicklung sicherheitsgerichteter Steuerprogramme unterstützen wie auch externe Stellen bei Prüfungsaufgaben. Da für die Matrixmethode mehrere Tabellen für verschiedene Entwicklungsphasen zu bearbeiten sind, soll SOFTEMA helfen, Eingabefehler zu verringern und Dokumente zur Programmierung und Prüfung zu generieren.

Zum IFA-Report stehen Beispieldateien im Excel-Format zum Download bereit. Diese Tabellen lassen sich wahlweise mit Excel oder dem neuen Tool betrachten und bearbeiten. Denn die SOFTEMA-Projektdateien verwenden das Dateiformat *.xlsx, welches für Microsoft-Excel-Arbeitsmappen steht. SOFTEMA soll nicht nur die für die Matrixmethode benötigten Tabellen verwalten, sondern auch die zentralen Informationen wie Projektbeschreibung, Benutzerverwaltung, Änderungsprotokolle etc., kurzum: das Projektmanagement steuern.

Im Jahr 2017 soll SOFTEMA frei verfügbar sein, kompatibel für Windows ab Win 7. Zum aktuellen Stand der Entwicklung informiert die DGUV unter „SOFTEMA – Tool für sicherheitsgerichtete Anwendungsprogrammierung an Maschinen

Es dürfe spannend werden, wie Maschinenhersteller und deren Softwareentwickler auf das neue SOFTEMA Tool reagieren. Die aus gleichem Hause kommende SISTEMA-Software mit ihren Bibliotheken für Komponenten von sicherheitsbezogene Steuerungsteilen (SRP/CS) hat bereits für viel Aufmerksamkeit gesorgt. Auch die Matrix-Methode des IFA dürfte bei Anwendungsprogrammierern von sicherheitsrelevanten Maschinenfunkitionen auf großes Interesse stoßen.

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